电能质量综合治理和电机系统节能改造.docx

电能质量综合治理和电机系统节能改造来源：轮胎工业 董兆清随着社会经济发展和高科技设备的广泛应用及用户对供电质量要求提高,电能质量问题日益突出,其已成为当前国际、国内电力行业和电能用户关注的热点问题。随着电能短缺时代的逐渐远去,电能作为特殊商品,其不可摆脱的一般商品属性“电能质量”问题逐渐被提出来了。谐波污染和电压暂降是较突出的两个方面,由此带来的电能损失和国民经济损失巨大。成山集团有限公司是用电大户,日用电量为150 万kW h 以上,电机系统用电量约占总用电量的95 %以上,其中炼胶设备、压延挤出设备和动力设备用电量分别占总用电量的35 % ,20 %和30 %。由于电能谐波、电压暂降、供配电系统不合理、电动机和拖动设备效率低以及系统调节方式落后等原因,造成的电能损失巨大,因此,节能改造非常必要。成山集团有限公司2007 年8 月开始进行节能改造,并于2008 年9 月完成此项目,下面对其做简单介绍。1 存在的问题及原因分析1. 1 谐波污染炼胶设备和压延挤出设备的耗电量一般占公司总用电量的55 % ,这些设备均采用可控硅直流调速装置,这些典型的6 脉冲晶闸管整流的直流电动机会产生大量谐波,其谐波电流比例达到30 %以上。电网谐波含量大幅度提高,使电网功率因数大幅度降低(甚至降低到不足016) ,造成电气元件和线路电能损耗严重。电网谐波包括电源质量不高产生的谐波、供配电系统产生的谐波和用电设备产生的谐波三个方面。谐波污染主要来自以下用电设备。(1) 晶闸管整流设备。晶闸管整流设备产生的谐波高达40 % ,是最大的谐波源。(2) 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用相位控制,谐波成分很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。电子电压调整设备、电弧炉、电应炉以及控制使用的电力电子设备、家用电器、照明设备等也会产生谐波。谐波主要会产生以下危害。(1) 对供配电线路的危害。在谐波的影响下,保护装置不能全面有效地起到保护作用,容易受谐波影响,产生误动作或拒动,将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。另外,谐波将浪费电网容量,增加电能损耗。(2) 对电力设备的危害。导致无功补偿装置因过电流或过电压而损坏,严重情况下引起爆炸;增大变压器、电机等的损耗,缩短使用寿命;对自动控制、机电保护装置和计算机产生干扰和误动作;造成电能计量误差;对通讯设备产生干扰,对人体也会产生有害影响。经测试,成山集团有限公司的电能谐波主要来自GK400N 和GK270 型密炼机、双复合和三复合挤出机、内衬层生产线、钢丝压延生产线等设备,这些设备均采用可控硅直流调速装置,其用电负荷占系统总用电负荷的50 %以上,这些典型的6 脉冲晶闸管整流的直流电机传动主要产生5 ,7 ,11 和13 次谐波,尤以5 次谐波含量最高,比例可达30 %以上。占用电总量30 %的钢丝帘布生产线中,95 %以上用电设备采用变频调速装置和PLC 控制系统,也会产生大量谐波,1 条电镀线谐波比例高达70 %。由于大量谐波注入电网,严重干扰了自动控制系统的可靠运行,引起停机停产造成严重损失。另外,谐波含量大幅度提高,使电网功率因数大幅度下降,甚至降低到不足0. 6 ,每月交付的力调电费高达72 万元。1. 2 电压暂降(1) 现状和危害电压暂降或下跌是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象。在电网中这种现象的持续时间一般为0. 51. 5 s。电压瞬时降低、升高、闪变等造成的危害最为普遍。统计表明,大型电力用户,幅度超过20 %的电压暂降年发生率为1020 次。许多高度自动化连续生产过程,每次电压暂降造成的经济损失达数十万至数百万美元之多。可见,减少或减缓电压波动的发生及其造成的危害是提高供电质量的重要内容。(2) 产生原因引起电压暂降的原因很多,但主要是雷击、短路故障和大型异步电动机启动等。雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压暂降或供电中断的主要原因之一。电力系统暴露在大自然中,在雷雨季节的多雷地区极易受到雷击干扰。有资料介绍,因雷击而引起的电压暂降次数部分地区约占总次数的60 % ,且持续时间一般超过5个周波,因此在方圆几千平方千米内的任意处的雷击都将会影响到该区域内的任一敏感负荷的正常、安全运行。系统故障是引起电压暂降或供电中断的另一主要原因。目前配电系统中的线路主保护一般采用电流保护,该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无延时地予以切除。此外即使无延时保护,从监测故障到断路器开断故障,目前最快也需要36 个周波。在故障期间,故障线路及其邻近线路上接有敏感负荷时,将会因电压暂降而跳闸退出工作。另外,当保护动作后伴随着重合闸时会引起电压暂降次数成倍增多。规定时间间隔的连续跳闸是造成瞬时供电中断的主要原因之一。大型异步电动机全电压启动时,启动电流一般比额定电流大5 倍以上,会引起电压暂降,这种电压暂降下降幅度不大,影响范围也小。其它如开关操作、电容器组或变压器投切等也有可能引起电压暂降。近年来,成山集团有限公司电网电压发生波动故障的几率很高, 每年不少于15 次。由于50 %以上的用电负荷对电网电压波动非常敏感,每年因此造成的直接经济损失达2 680 万元以上。2 应对措施2. 1 动态无功补偿和有源电能滤波为了治理谐波和进行无功补偿,2004 年成山集团有限公司就开始采用功率因数补偿和谐波治理装置进行治理。由于资金所限,采用了价格低廉的无源滤波装置,起到了一定的作用。随着电力系统的复杂化以及大量非线性负荷的应用,谐波变得很不确定,谐波成分也变得多样化,出现了偶次谐波和更高次谐波,并且在时间上也不是一成不变的。无源滤波因设定了固定参数,对新形势下的谐波问题不能起到有效的抑制作用。有源滤波的技术构想早在20 世纪70 年代初就已提出,但直到90 年代才进入实际应用,国内的情况远落后于国外。与无源滤波相比,有源滤波克服了固定容量补偿的缺陷,避免了容量不足或过补,完全不需考虑谐波具体成分,只要在允许的补偿容量范围,通过自动监测和调节,都可以做到完美补偿。有源滤波可以起到改善电能质量和降低损耗的双重作用。它可以同时对谐波、无功和负序电流进行补偿,在一定程度上平衡三项负荷电流、电压,抑制电压闪变。在实际应用中,有源滤波在消除谐波的同时,还可提供无功补偿,且其调节是双向的,既可发出无功,又可吸收无功,这一特性使其有了更大应用空间。有源滤波装置还有控制灵活、避免谐振、应用广泛、安装使用方便等优点。2. 2 DVR技术DVR 技术即用户电力技术( Custom Power) ,是20 世纪90 年代开发的新技术,可以解决电压暂降、凸起、瞬时间断等配电系统扰动所引起的各种问题。它是把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来为用户配置可靠的、高质量的电力。主要产品有固态断路器、静态补偿器(STA TCOM) 和动态电压恢复器(DVR) 等。DVR 装置是多学科、多领域交叉发展的产物。现代电力电子技术的发展带来了可供选择的多种电路拓扑结构以及先进的调制技术。电力电子器件的发展带来了更高可靠性、更高开关频率、更低损耗的功率器件,这其中包括已经得到大规模使用的IGB T 和IGCT 器件以及智能功率模块IPM。这些可以工作在较高开关频率(10 kHz 以上) 的功率器件是研制DVR 装置的基础。现代控制理论的发展使我们拥有了更多的算法选择,这些控制理论的使用增强了系统的经济性、稳定性、可靠性,使装置趋于智能化。微处理器的发展为我们实现各种较复杂的算法提供了物质基础。在以往,实现较高的开关频率和实现较复杂的控制算法一直是一对矛盾,当前高速、高集成度的微处理器使上述两者达到了一定程度的统一。对于面向控制领域的处理器,其优化的硬件设计使软件的设计任务大大简化,这不仅减轻了开发者的负担,更重要的是减小了系统软件的规模,从而为实现更复杂的算法打下了基础。上述这些技术的发展使DVR 装置的实现成为可能,而DVR 装置进一步向大功率、智能化方向发展仍然依赖于这些技术的进一步发展。各国专家学者已达成共识:DVR 是改善电压型电能质量问题的最经济、最有效的手段。DVR 工作原理如图1 所示,在配电系统正常供电情况下,DVR工作在备用状态,其损耗是相当低的。当系统电压发生暂降或凸起的时候,DVR 装置立即(几毫秒以内) 向系统注入补偿电压,用以补偿故障下的电压差,使其迅速恢复正常。注入电压的幅值和相角均可控制,补偿所需的有功和无功都由DVR 提供,DVR 装置所需要补偿的持续时间可以根据敏感负荷的要求以及系统故障的特征来预先配置,以达到最经济、最合理的效果。 采用有源滤波器(APF) 并联于线路中,DVR串联于线路中,APF 和DVR 结合应用工作原理如图2 所示。APF 专注于电流型电能质量问题的治理,DVR 专注于电压型电能质量问题的治理,二者有效结合,共用储能单元和能量接口,并且可以单独运行实现其自身功能。APF 和DVR同时运行可以使系统的电流和电压保持在一定的标准水平之上,从而实现统一电能质量调节器所期望达到的目标。 目前,北京四方清能电气电子有限公司与清华大学机电系柔性输配电系统研究所联合研制的QNDVR100L 型DVR 产品技术较先进、动态性能好、可靠性高,普遍适用于解决低压配电网用户的电压波动和瞬间暂降问题,是解决供电安全性低、电能质量差的最佳方案。2. 3 供配电网络改造将全厂14 个35 kV 变电站去掉12 个,只保留2 个35 kV 变电站,站内共设置3 台31 500kVA 变压器(现有2 台S9231500/ 35 保留,另一台S7220000/ 35 更换为S10231500/ 35) 。东厂区现有12 台一次电压为35 kV 、总容量为19 600kVA 的S7 淘汰型变压器,分别设置在6 个35kV 变电站。改造后只有5 台一次电压为6. 3 kV、总容量为13 150 kVA 的SCB10 型干式变压器,分别设置在负荷中心新建6 kV 变配电总站和改造后的子午线轮胎站两个6 kV 变配电站。2. 4 采用变极启动无滑环绕线转子异步电机采用高效变极启动无滑环绕线转子异步电动机华保牌高效节能电动机JWHHR 系列和YWHHR 系列,替代现有的J R , YR 等系列电动机。该电机采用华中科技大学电机国家专业实验室最新研究成果(专利号:CN 94117445X) 。具有启动转矩大,启动电流小,过载转矩大、功率因数高等特点;新型电机节电率约为10 %。2. 5 采用节能控制装置在热水循环泵和冷却水循环泵等泵类装置中(最大电机功率250 kW) 采用节能控制装置。该装置采用了独有的自动化(AEO) 控制方案,确保电机负载始终处于最优状态。为了在任何状态下都能自动输出满足负荷所需的功率,电机功率控制器必须随时监视电机状态,并对任何变化做出反应。电机功率控制系统完成该任务的核心就是其特有的VCC + 控制算法。这样节电系统在任何情况下都能自动保持峰值电机效率,使电机效率达到最高。电机功率控制器是上海正道机电科技有限公司与上海同济大学联合实验室设计、开发的专利节电产品,具有技术成熟可靠的特点。3 经济效益和社会效益(1) 采用动态无功补偿和有源电能滤波装置,将功率因数由0. 6 提高到0. 92 以上,使成山集团有限公司每年少支付力调电费864 万元;电网的谐波污染得到治理后,可改善电能质量,延长电器的使用寿命,避免系统和谐波过载以及电压崩溃;通过滤波补偿,减少无功电流和谐波电流,降低电气设备和供电线路的电能损耗,系统节电效果达到8 %以上。在8 条生产线采用有源滤波装置,使生产线避免了由谐波引起的生产线自动控制失灵,发生停机、停产,造成重大的经济损失。综上所述,每年可减少电能损失达31138 107 kWh。(2) 动态电压恢复器有效解决电压暂降问题,可确保敏感负荷的电压稳定,保证经济安全生产,每年综合节电2. 061 107 kW h 。(3) 供配电网络改造后, 变压器容量减小8 450 kVA ,更换S7 淘汰型变压器13 台,总容量为34 600 kVA ,从而大大减少变压器损耗,同时每年可减少基本电费294. 4 万元。由35 kV 单回路供电改为双回路供电,提高了供电的连续性、可靠性,从而提高了生产经济效益;同时35 kV 线路损耗将成倍减少。电网改造每年综合节电8. 50 106 kW h 。(4) 由于YWHHR 系列电机定/ 转子特殊结构而节电。传统电机转子有滑环电刷和连接电阻的电缆,当电机启动后,转子上串接的电阻被接触器短接,而滑环电刷仍随机工作;此时除滑环与电刷摩擦耗电外,更有转子电流在电缆中产生电耗。新型电机抛掉了这些附加部件,自然节约了这部分损耗的电能;新电机效率比常规电机高出2 个百分点;新电机功率因数平均比常规电机高5 个百分点左右,不需要进行无功补偿;新电机的转差率小,转差损耗也小,仅为传统电机的50 %左右。新型电机节电是系统节电,主要是它的特殊结构节电,其节电率一般在10 %左右, 年节约用电9. 60 106 kW h 。(5) 电机功率控制器保证了节电系统在任何情况下都能自动保持峰值电机效率,使电机效率达到最高。成山集团有限公司分别在185 kW 热水循环泵和250 kW 冷却水循环泵使用电机功